基于C2000 的集成电力线载波通信功能(PLC)光伏逆变系统

2.2 TI PLC Lite 标准介绍 [2]
　　PRIME 和G3 标准在制定之初，主要应用对象是类似远程抄表等终端节点多且距离远、传输数据量大的应用，所以在PRIME 和G3 标准中会包括物理层、媒体层、逻辑链路层、以及更上层(例如在适配层支持IPV6 及IEC61334-32 等)网络层协议。而对于光伏逆变设备，其数据量不大并且在当前大多数应用中，其组网方式相对较简单所以并不需要一个复杂网络协议栈。TI 定义了一个低成本且相对简单的标准PLCLite 以应用于光伏逆变、路灯控制等相对简单灵活的网络。而PLC Lite 本身是由PRIME 标准优化而来，所以其稳定性也可以得到保证。其特性如下：(1) 可使用TMS320F28035 contorlCARD 或TMS320F28069 contorlCARD 作为主控模块;(2)支持PLC Add-on AFE031 模拟前端驱动模块;(3)支持47K~90K 半频段(欧洲CENELEC A 频段标准)、40K~150K 半频段(24K 欧洲CENELEC A /B/C/D 频段标准);(4)最高传输速率为21Kpbs(不使用前向纠错)、11Kpbs(使用前向纠错);(5)采用OFDM 调制方式、使用前向纠错功能、每个频率载波采用DBPSK 调制技术;(6)40K~90K 频段子载波数量为97 路(1 路导频，96 路数据);(7)带有重复码纠错功能、CRC8 错误校验、重复码和RS 前向纠错算法;(8)可通过UART 发送指令进行调试;(9)可编程控制AFE031 增益;(10)具有PRIME 标准物理层特性、增强的NBI 性能以及支持MAC 层扩展。

　　图5 PLC Lite 物理层特性参数
                               
                　　3 系统设计方案
　　一般来说，带有通信模块的光伏逆变系统都会采用逆变系统外加通信模块的方式来实现，即在一个逆变系统中，加入相关的通信协议，并通过SCI/SPI 等通信手段与外加的通信模块进行短距离通信，再由通信模块将其发送至外部网络。本章节介绍两种光伏逆变器+PLC 的系统拓扑，并对其特点进行分析。
　　3.1 PLC 外部独立模块系统
　　图6 所示为PLC 外部独立模块的系统，这样的系统拓扑模块化较好，灵活度较高。由于PLC 会占用MCU 大量的片上ADC 资源，因此PLC 和逆变系统如果分别独立开发设计则可以降低光伏逆变系统主控MCU 的负载率。该方案可选择相对性能较低(ADC 相对速度较慢、片上RAM/FLASH 容量相对较小等)的MCU 以降低系统成本，但其缺点在于多芯片方案导致外围电路设计复杂且系统成本增加，同时性能较低的MCU 亦限制了光伏逆变设备总体性能的提高。一般在通信功能为可选的系统(如光伏微逆变器)中会倾向于此类拓扑设计。
　　图 6 光伏逆变系统PLC 外部独立模块系统框图

　　图6 为一种基于TMS320F28035 的带有PLC 通信功能的光伏逆变系统。其中光伏逆变部分采用两级隔离方式，前级DC/DC 完成MPPT 功能，后级IGBT 模块完成单相逆变，主控系统为两颗F28035(认证要求)LC 模块部分则由另一颗F28035 单独控制，光伏逆变中的一颗主控F28035 只需将数据通过SCI/SPI 发送至PLC 模块，PLC 模块则通过AFE031 及电力线将数据发送至网络。因此该系统总共需要使用3 颗MCU 来实现。
　　3.2 PLC 内部集成系统
　　从图4 可以看到，TI 的PLC 方案硬件系统可分为两部分：MCU 和模拟前端。MCU 负责所有的信号接收、解析、处理及发送;模拟前端只负责发送和接收数据：发送——通过MCU 的片上SPI 模块(无需D/A 转换)传送的离散信号经D/A 转换成连续信号后放大并耦合至电力线;接收——将电力线上的调制信号采样匹配后输送至MCU 的片上ADC 单元进行离散采样。通过该分析可以发现，只要光伏逆变的主控MCU 性能足够，即可将TI PLC 方案的软件部分完全移植至该主控MCU 中。
　　对于需要PLC 功能的光伏逆变设备，该集成拓扑相对于图6 来说主要减少了一颗高性能的实时控制MCU，因此系统成本明显降低，但需要注意的是在该MCU 选型时必须考虑采较强处理能力的内核和外设。理论上来看PLC 部分和光伏逆变的软件算法可以全部由一颗MCU 完成，但其中仍存在技术难题，例如ADC 的采样时序冲突——光伏逆变的PWM 载波频率一般在10K~30KHz，所以ADC 对于电流电压的采样也会与其一致，而PLC-Lite 的 ADC 采样频率最低为250KHz，且两者在采样时均需要ADC 产生中断处理来数据，该问题是此类系统必须要解决的;又如MCU 在性能与成本之间的折衷——基于OFDM 的PLC 需要高速ADC 采样，因此需要大容量RAM 和强大数据处理能力的MCU;逆变系统和PLC 系统都需要很强的实时处理性能。考虑到以上需求，如选用专用DSP 芯片不但增加系统成本，还会增加开发难度，因此如何选用一颗专用MCU 来并行实现光伏逆变和PLC 的相关运算是至关重要的。C2000 由于具有出色的实时控制性能，可以很好地解决上述问题。